Теория сварочных процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт инженерно-педагогического образования

Кафедра металлургии, сварочного производства и методики профессионального обучения

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ»

Вариант 5

Исполнитель:

студент группы

Руководитель:

доц., канд. пед. наук М.А. Федулова

Екатеринбург 2017



Задание

сварка флюс температура охлаждение

Используя расчеты, обосновать возможность автоматической сварки под флюсом пластин, толщиной 10 мм, из стали 15Г2АФДпс. Режим сварки: Iсв = 720A; U = 36 В; = 0,85; Vсв = 30 м/ч. Рассчитать и графически представить характер распределения температур точек, находящихся на оси Х (в зоне нагрева и охлаждения), и для точек, находящихся на оси У, перпендикулярной направлению движения дуги.



Содержание

Введение

1. Характеристика стали 15Г2АФДпс

1.1 Химический состав

1.2 Механические и технологические свойства

1.3 Область применения стали марки 15Г2АФДпс

2. Оценка свариваемости стали 15Г2АФДпс

2.1 Свариваемость

2.2 Количественная оценка склонности металла к образованию холодных трещин

2.3 Количественная оценка склонности металла к образованию и горячих трещин

2.4 Технологические приемы предотвращения указанных дефектов

3. Описание автоматической сварки под флюсом

3.1 Сущность процесса

3.2 Источник энергии для сварки, его характеристика

3.3 Металлургические особенности сварочных процессов при использовании автоматической сварки под флюсом

3.4 Преимущества и недостатки автоматической сварки под флюсом

4. Тепловые расчеты

4.1 Выбор и обоснование расчетной схемы температурного поля

4.2 Расчет температуры полей

4.3 Расчет и построение термического цикла заданной точки и параметров максимальных температур и скорости охлаждения

4.4 Анализ процессов в зоне термического влияния (ЗТВ)

5. Обоснование выбора сварочных материалов для сварки под флюсом стали 15Г2АФДпс

6. Характеристика сварочных материалов

Заключение

Список использованных источников



Ведение

В начале третьего тысячелетия сварка является одним из ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации. Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Во многих случаях сварка является наиболее эффективным или единственно возможным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции. Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы (пластмассы, керамика, стекло и др.). Разработка технологии сварки металлов и неметаллов, новых технологических процессов, сварочных материалов и процессов термической обработки сварных соединений требует основательной теоретической подготовки в области сварочных процессов.

Выполнение курсовой работы по дисциплине «Теория сварочных процессов» (ТСП) предполагает решение теоретико-технологических проблем, возникающих в процессе проектирования технологии сборки и сварки конкретной металлоконструкции. Это позволяет спрогнозировать и подобрать наиболее оптимальную технологию сварки металлоконструкции из конкретной марки стали или иного промышленного сплава.

Целями выполнения данной курсовой работы является систематизация теоретических знаний в области сварочного производства, использование теоретических и специальных знаний для решения актуальных прикладных технологических проблем.

Успешное достижение целей будет реализовано посредством выполнения следующих задач:

Изучения теоретических основ сварочного производства;

Изучения и определения оценки свариваемости заданного промышленного сплава;

Расчет и определение характера теплового воздействия при электродуговой сварке;

Изучение и представление металлургического воздействия сварочных материалов при выбранном способе сварки;

Представления и рекомендации выбранного способа и технологии сварки конкретной стали.

Актуальность сварки пластин, толщиной 10 мм, из стали 15Г2АФДпс встык автоматической сварки под флюсом может определяться различными факторами: потребностями производства в изготовлении определенной металлоконструкции, работающей в заданных условиях; потребностью в использовании современных конструкционных материалов и технологий, потребностью производственной практики в разработке современного научного подхода при рациональном выборе технологии сварки и т.п.



1. Характеристика стали 15Г2АФДпс

1.1 Химический состав

Сталь 15Г2АФДпс конструкционная низколегированная для сварных конструкций. Сталь марганцово-ванадиевая с азотом и медью; По ГОСТ 27772-88 соответствует стали для строительных конструкций С390К.

Таблица 1 - Химический состав стали 15Г2АФДпс (ГОСТ 19281-2014), в %

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	V	N	Cu	As
0,12 -0,18	до 0,17	1,2 - 1,6	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,3	0,08 - 0,15	0,015 - 0,3	0,2 - 0,4	до 0,08

1.2 Механические и технологические свойства

Таблица 2 - Механические характеристики стали 15Г2АФДпс

Сортамент	Размер мм	ув, МПа	уT, МПа	д5, %	Ш, %	KCU, кгсЧм/см2	Термообр.
						-40	-70	-
Прокат	10-20	540	390	19		3,9	2,9
Лист	5 - 10	540	390	19		4,4	3,54

Таблица 3 - Физические характеристики, свойства стали 15Г2АФДпс.

Предел выносливости	у-1, МПА	n
	250	106

Таблица 4- Технологические свойства материала сталь марки 15Г2АФДпс.

Свариваемость (сварка стали 15Г2АФДпс)	без ограничений - сварка производится без подогрева и без последующей термообработки



1.3 Область применения стали марки 15Г2АФДпс

Выбор стали для строительных конструкций и сооружений производится в зависимости от ответственности конструкций зданий и сооружений, климатического района и условий.

Сталь 15Г2АФДпс применяется для производства металлоконструкций, в том числе и северного исполнения.

Сталь 15Г2АФДпс обеспечивает класс прочности листового, широкополосного универсального проката и гнутых профилей КП 390 при толщине проката до 32мм. без применения дополнительной упрочняющей обработки.

Строительные нормы и правила для мостов и труб (СНиП 2.05.03-84) предусматривают применение в стальных конструкциях автодорожных, городских и пешеходных мостов сталь 15Г2АФДпс (ГОСТ 19281-2014).

Сталь 15Г2АФДпс сваривается без ограничений, т.е. сварка производится без подогрева и без последующей термообработки.

Сталь 15Г2АФДпс имеет заменители: 16Г2АФ, 18Г2АФпс, 10ХСНД.



2. Оценка свариваемости стали 15Г2АФДпс

2.1 Свариваемость

Под свариваемостью понимают комплекс свойств сплава, определяющих возможность получить сварное соединение с требуемой прочностью при принятом технологическом процессе. Различают понятия физической и технологической свариваемости. Физическая свариваемость определяет свойство материалов образовывать монолитное неразъемное соединение с установлением в нем химических связей.

Основные критерии свариваемости металлов и их сплавов:

окисляемость металла при сварочном нагреве, зависящая от его химической активности;

сопротивляемость образованию горячих трещин;

сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке;

чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

чувствительность к образованию пор;

За многие десятилетия развития технологии сварки при изготовлении строительных и других конструкций выявлено наибольшее влияние на свариваемость соединения в ней углерода и меньшее - других химических элементов, в связи с чем приравнивают их влияние к соответствую количеству (эквиваленту) углерода.

Теоретическая оценка свариваемости осуществляется на основе фактического, химического состава стали по данным сертификата производителя.



2.2 Количественная оценка склонности металла к образованию холодных трещин

Холодные трещины - локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения, возникающие под действием собственных сварочных напряжений.

Холодные трещины, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после окончания сварки, а затем на протяжении нескольких часов и даже суток распространяются как вдоль, так и поперек околошовной зоны, а иногда и шва. Такой характер разрушения - результат совместного действия в сварном соединении тепловых, сварочных и структурных напряжений, крупнозернистого игольчатого строения мартенсита и заметного снижения пластических свойств металла в связи с растворением в нем водорода.

Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали известного химического состава является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле:

(1)

где C, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, P- массовые доли углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %.

В зависимости от углеродного эквивалента и связанной с этим склонностью к закалке и образованию холодных трещин, стали по свариваемости делят на:

- хорошо сваривающиеся без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов, толщин и конструктивных форм;

- удовлетворительно сваривающиеся, мало склонные к образованию холодных трещин при правильном подборе режимов сварки, в ряде случаев требуется подогрев;

- ограниченно сваривающиеся стали, склонны к трещинообразованию, возможность изменения сопротивляемости образованию трещин за счет режимов сварки весьма ограничена, требуется подогрев;

- плохо сваривающиеся стали, весьма склонны к закалке и трещинам, требуют при сварке подогрева, специальных технологических приемов сварки и термообработки.

Стали с Сэх?0,45% не склонны к холодным трещинам при сварке. При Сэх>0,45% появляется потенциальная возможность их образования в определенных условиях. Согласно расчета, сталь 15Г2АФДпс плохо сваривающаяся, весьма склонна к закалке и трещинам, требует при сварке подогрева, специальных технологических приемов сварки и термообработки.

Этот метод используют чаще всего при разработке технологии сварки при изготовлении конструкций.

Оценка с учетом структурных превращений и жесткости изделия (по Д. Сефериану)

Д.Сефериан предложил оценивать склонность стали к холодным трещинам по полному эквиваленту углерода

,% (2)

где [С]х - химический эквивалент углерода, он определяется по



,% (3)

где д - толщина свариваемых листов, мм.

Появление холодных трещин вероятно при [С] > 0,4 .. .0,45%.

Оценка по параметрам трещинообразования

Параметр Ито-Бессио:

,% (4)

где Рсм - показатель, учитывающий влияние структурных превращений в ОШЗ, он рассчитывается по формуле:

,% (5)

где Н - количество диффузионного водорода в металле шва, определенного методом с применением глицерина, мл/100 г. Если количество диффузионного водорода определено по методике МИС (с использованием ртути), то Н = 0,64Нмис - 0,93, мл/100 г.

К - коэффициент интенсивности жесткости.

Для приближенных вычислений коэффициент интенсивности жесткости стыковых соединений толщиной до 150 мм принимают равным К = 0,69д, где д - толщина свариваемых листов, мм.

К = 0,69•10=6,9

Сварка под флюсом очищенной проволокой:

Н = 0,64•7 - 0,93=3,55, мл/100 г.

Сталь склонна к образованию холодных трещин, если параметр Ито- Бессио Pw > 0,286.

Окончательная оценка свариваемости может быть дана после проведения рядов испытаний (металлографических, механических и т.д.), проводимых на образцах (экспериментальные испытания) в соответствии с рекомендациями ГОСТ, ДСТУ, ДБН, ТУ и т.д. Согласно испытаний, сталь 15Г2АФДпс должна хорошо свариваться без ограничений.

2.3 Количественная оценка склонности металла к образованию и горячих трещин

Горячие или кристаллизационные трещины это такие, которые появляются в металле на завершающей стадии кристаллизации в интервале температур 1200-1000оС. При остывании и затвердевании шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллами остаются жидкие или полужидкие обогащенные растворенными элементами прослойки с температурой плавления ниже, чем у основного металла. При существовании таких прослоек в момент появления растягивающих напряжений, вызванных неравномерностью нагрева и остывания при сварке, в шве образуются горящие трещины. Они проходят по этим малопрочным прослойкам между кристаллами.

Горячие трещины могут появляться и в околошовной зоне, где при действии высокой температуры по границам растущих зерен выделяются легкоплавкие составляющие и вредные примеси.

Образование горячих трещин зависит от химсостава металла шва, термического цикла сварки, вида соединения и жесткости конструкции, направленности кристаллизации и др. Склонность наплавленного металла к образованию трещин увеличивают сера (FeS; MnS+FeS), углерод, кремний, водород и т.д.

Для оценки сопротивляемости металла сварных соединений горячим трещинам применяют расчетный и экспериментальный методы. Расчетно-статистический метод основан на использовании параметрических уравнений, составленных с помощью регрессионного анализа, и применим только для тех сплавов, которые входят в концентрационные пределы изученных композиций.

Вероятность появления при сварке или наплавке горячих трещин, для углеродистых и низколегированных сталей можно определить по критерию Уилкинсона, формула расчета которого применительно к низколегированным сварным швам, она имеет вид:

(6)

Условием появления горячих трещин для сталей с пределом прочности ув < 700 МПа является HCS ? 4. В нашем случае HCS < 4, поэтому при сварке в стали возможно возникновение горячих трещин.

Недостаток этого метода - невозможность учета влияния всех примесей, не входящих в параметрические уравнения, а также аномалии по технологическим параметрам сварки, выходящим за исследованные пределы. Поэтому расчетно-статистический метод рекомендуется для приближенных экспресс-оценок.

2.4 Технологические приемы предотвращения указанных дефектов

Чтобы во время работы и после нее не появлялись трещины, как горячие, так и холодные, необходимо предпринять определенные меры. Именно они помогут правильно справиться со всеми проблемами, свести вероятность появления дефектов к минимуму. Трещина горячего либо холодного вида уже не появится, если предпринять следующие действия:

Жесткость соединения свариваемых деталей должна быть уменьшена, так как именно невозможность подвижки металла и становится причиной появления различного рода повреждений, в том числе и трещин различного размера.

Если сварной шов имеет слишком малый размер в сравнении с толщиной, то трещины обязательно появятся, а сам шов будет иметь низкое качество. Поэтому перед тем как начать работу, необходимо правильно подобрать тип шва, условия его образования.

Выбор сварки осуществляется в полном соответствии с типом обрабатываемого материала.

Сварной шов выполняют качественно, наконечник держится именно так, как это регламентируется всеми правилами и условиями процесса.

Все детали, перед тем как начнется сварка, требуется подготовить. Это касается нагрева деталей до определенных температур.

Электроды нужно выбирать тщательно, основываясь на температуре работы, типе металла и сварочного аппарата. Нельзя брать дешевые электроды, так как качество самой работы будет низким.

Нельзя превышать рекомендованное значение сварного тока, так как это приведет к перегреву, появлению большого числа крупнозернистых участков охрупченного типа и структуры.

Если в основном свариваемом металле есть много легирующих добавок и углерода, то необходимо внимание уделить выбору технологии и процесса сварки.

При сварке изделий достаточно большой толщины увеличивать размеры сварных швов;

Не допускать при сварке узких валиков, производить сварку полноразмерным швом короткими участками по 200-250 мм;

Выбирать последовательность выполнения сварных швов такой, чтобы максимально долго оставлять незаваренными концевые участки соединения, с тем чтобы они обладали максимально возможной подвижностью;

Обеспечить сплошность и хорошее сплавление сварных швов;

В некоторых случаях обеспечить предварительный подогрев свариваемых частей;

Сборку соединений производить с одинаковым и требуемым по технологии зазором, при необходимости для выравнивания зазора применять стягивающие сборочные приспособления;

По возможности сварной шов делать многопроходным, так как однопроходные швы могут быть более хрупкими, а в многопроходных швах происходит отжиг каждого предыдущего слоя;

Разделку заполнять сразу после завершения сварки корня шва, так как воздействию напряжения чаще всего подвергается область корневого шва.



3. Описание автоматической сварки под флюсом

3.1 Сущность процесса

Автоматическая сварка под флюсом является одним из основных способов выполнения сварочных работ в промышленности и строительстве. Обладая рядом важных преимуществ, она существенно изменила технологию изготовления сварных изделий, таких, как стальные конструкции, трубы большого диаметра, котлы, корпуса судов. Вследствие изменения технологии изготовления произошли изменения и самих сварных конструкций: получили широкое применение сварно-литые, сварно-кованые изделия, дающие огромную экономию металла и труда.

При ручной дуговой сварке непрерывность процесса обеспечивает сварщик подачей электрода в зону дуги и перемещением дуги вдоль свариваемого шва. Процесс ручной сварки, обладая рядом преимуществ, имеет два важных недостатка: относительно малую производительность и неоднородность качества шва, которые зависят от квалификации сварщика. Кроме того, производительность ручной сварки ограничивается максимально допустимым сварочным током для применяемых при ручной сварке диаметров электрода. При больших токах электрод длиной 350...400 мм сильно перегревается, что затрудняет нормальный процесс сварки.

Механизация движений электрода позволила автоматизировать процесс сварки. Для получения качественных сварных швов взамен электродных покрытий применяют гранулированное вещество, называемое флюсом.

Автоматическая сварка под флюсом производится при помощи автоматической установки (сварочная головка или сварочный трактор). Эта установка подает электродную проволоку и флюс в зону сварки, перемещает дугу вдоль свариваемого шва и поддерживает стабильное ее горение.

Принципиальная схема автоматической сварки под флюсом представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Установка для автоматической сварки под флюсом

Электродная проволока 3 с помощью ведущего 5 и нажимного 4 роликов подается в зону сварки. Кромки свариваемого изделия 7 в зоне сварки покрываются слоем флюса, подаваемого из бункера 1. Толщина слоя флюса составляет примерно 30...50 мм. Сварочный ток подводится от источника тока к электроду через токоподводящий мундштук 6, находящийся на небольшом расстоянии (40...60 мм) от конца электродной проволоки. Благодаря этому при автоматической сварке можно применять большие сварочные токи. Дуга 11 возбуждается между свариваемым изделием и электродной проволокой. При горении дуги образуется ванна расплавленного металла 10, закрытая сверху расплавленным шлаком 9, и оставшимся нерасплавленным флюсом 8. Нерасплавившийся флюс отсасывается шлангом 2 обратно в бункер. Пары и газы, образующиеся в зоне дуги, создают вокруг дуги замкнутую газовую полость 12. Некоторое избыточное давление, возникающее при термическом расширении газов, оттесняет жидкий металл в сторону, противоположную направлению сварки. У основания дуги (в кратере) сохраняется лишь тонкий слой металла. В таких условиях обеспечивается глубокий провар основного металла. Так как дуга горит в газовой полости, закрытой расплавленным шлаком, то значительно уменьшаются потери теплоты и металла на угар и разбрызгивание.

По мере перемещения дуги вдоль разделки шва наплавленный металл остывает и образует сварной шов. Жидкий шлак, имея более низкую температуру плавления, чем металл, затвердевает несколько позже, замедляя охлаждение металла шва. Продолжительное пребывание металла шва в расплавленном состоянии и медленное остывание способствуют выходу на поверхность всех неметаллических включений и газов, получению чистого, плотного и однородного по химическому составу металла шва.

3.2 Источник энергии для сварки, его характеристика

Сварка под флюсом выполняется проволокой диаметром от 1 до 6 мм на токе от 150 до 2000 А при напряжении от 22 до 76 В. Зажигание дуги осуществляется разрывом цепи короткого замыкания при отдергивании или перегорании электрода. Расплавленный шлак шунтирует дугу, что несколько ухудшает зажигание дуги и снижает ее устойчивость. Вольтамперная характеристика дуги жесткая или возрастающая (сд от 0 до +0,05 В/А). График условной рабочей нагрузки по требованию стандарта соответствует соотношению Up=19+0,037Iд при токе до 1000 А и соотношению Uр=13+0,0315Iд - при токе до 2000 А. Для поддержания непрерывного горения дуги при сварке электродом до 4-5 мм используют эффект саморегулирования, при большем диаметре применяется автоматическое регулирование напряжения дуги. Требования к источнику существенно различаются в зависимости от способа поддержания дуги.

При сварке аппаратами с постоянной скоростью подачи проволоки, работающими по принципу саморегулирования, источник должен иметь пологопадающую характеристику с си от -0,01 до -0,1 В/А.

При этом обеспечивается достаточная устойчивость системы «источник--дуга» и высокое быстродействие процесса саморегулирования. Из-за шунтирующего действия расплавленного шлака напряжение холостого хода приходится увеличивать до 80-140 В, а поскольку это ухудшает безопасность труда, снабжать источник устройством для его выключения сразу после прекращения сварки. При пологопадающей характеристике ток короткого замыкания сравнительно большой Iк=(1,5-3)Iд, это повышает надежность зажигания. Ток настраивается с помощью регулятора скорости подачи проволоки, а регулятор источника используется для настройки напряжения дуги. На рисунок 2, а показано, как это делается за счет изменения напряжения холостого хода, но часто для этих целей меняют и сопротивление источника, т.е. наклон его характеристики.

Рисунок 2 - Характеристики источника для механизированной сварки под флюсом

При сварке аппаратами с автоматическим регулированием напряжения дуги источник должен иметь крутопадающую характеристику с си от -0,05 до -0,3 В/А (рисунок 2, б). При этом обеспечивается устойчивость системы «источник--дуга» и высокая стабильность тока, тогда как автоматический регулятор обеспечивает высокое быстродействие и стабилизацию напряжения дуги. Напряжение холостого хода источника должно быть высоким (80 -- 140 В), а сила тока короткого замыкания -- сравнительно небольшой -- Iк=(1,5-2)Iд, поскольку зажигание выполняется с отдергиванием электрода от изделия. Напряжение дуги задается автоматическим регулятором (Uд?Uзн), поэтому регулятор источника используется для настройки тока.

3.3 Металлургические особенности сварочных процессов при использовании автоматической сварки под флюсом

При автоматической и механизированной сварке под флюсом сварочная дуга горит во флюсогазовом пузыре, заполненном раскаленными газами столба дуги и парами флюса. Условия протекания металлургических процессов отличаются рядом особенностей:

более эффективная защита сварочной ванны от кислорода и азота воздуха (в швах, выполненных под флюсом, содержание азота не превышает 0,008%);

объем сварочной ванны больше, чем при ручной дуговой сварке, больше и время пребывания ее в расплавленном состоянии, что способствует более полному протеканию химических реакций между жидким металлом и шлаком;

более устойчивая зависимость между режимом сварки и химическим составом расплавляемого металла, что позволяет с достаточной точностью и стабильностью получать заданный состав металла швов.

Одной из особенностей металлургических процессов при сварке под флюсом является легирование шва марганцем и кремнием за счет восстановления их из оксидов МnО и SiO2, находящихся во флюсе. В зоне сварки с высокой температурой протекают восстановительные реакции

Образовавшийся оксид FeO частично всплывает в шлак, частично растворяется в жидком металле. Марганец и кремний полностью растворяются в металле.

В хвостовой части сварочной ванны в зоне пониженных температур протекают реакции раскисления за счет Мn и Si, имеющих большее сродство к кислороду в этих условиях, чем железо

Получающиеся при этом оксиды соединяются между собой в комплексные легкоплавкие силикаты марганца и железа, легко всплывающие в шлак.

3.4 Преимущества и недостатки автоматической сварки под флюсом

Преимущества сварки под слоем флюса:

- повышенная производительность;

- возможность резкового увеличения силы сварочного тока. Лучшее использование тока заметно экономит расход электроэнергии;

- заключение дуги в газовый пузырь со стенками из жидкого флюса практически сводит к нулю потери металла на угар и разбрызгивание, суммарная величина которых не превышает 2% веса расплавленного электродного металла. Отсутствие потерь на угар и разбрызгивание и уменьшение доли электродного металла в образовании шва позволяют весьма значительно экономить расход электродной проволоки;

- отсутствие брызг;

- максимально надёжная защита зоны сварки;

- минимальная чувствительность к образованию оксидов;

- мелкочешуйчатая поверхность металла шва в связи с высокой стабильностью процесса горения дуги;

- не требуется защитных приспособлений от светового излучения, поскольку дуга горит под слоем флюса;

- низкая скорость охлаждения металла обеспечивает высокие показатели механических свойств металла шва;

- малые затраты на подготовку кадров;

- отсутствует влияния субъективного фактора.

- сварные швы получаются равномерного и очень высокого качества;

Недостатки сварки под слоем флюса:

- трудозатраты с производством, хранением и подготовкой сварочных флюсов;

- расход флюса по весу в среднем равняется весу израсходованной проволоки, и стоимость его оказывает существенное влияние на общую стоимость сварки;

- трудности корректировки положения дуги относительно кромок свариваемого изделия;

- невидимость места сварки, закрытого толстым слоем флюса. Невидимость места сварки повышает требования к точности подготовки и сборки изделия под сварку, затрудняет сварку швов сложной конфигурации;

- нет возможности выполнять сварку во всех пространственных положениях без специального оборудования;

- отсос и сбор флюса, пересыпка для повторного его использования являются дополнительными источниками пылевыделения. Установлено, что при повторном использовании флюса запыленность воздушной среды выше в 2 раза, чем при сварке под свежим флюсом.



4. Тепловые расчеты

Основной задачей тепловых расчетов при сварке является прогнозирование распределения температуры в свариваемом изделии, как в пространстве, так и во времени. От этого в определенной степени зависит качество сварных соединений - прочность, пластичность, ударная вязкость металла шва, и прилегающих к месту сварки участков металла.

4.1 Выбор и обоснование расчетной схемы температурного поля

Варианты заданий на курсовую работу охватывают четыре расчетные схемы теплового поля в теории распространения тепла при сварке:

подвижный точечный источник, действующий на поверхности полубесконечного тела (ПТИ);

подвижный линейный источник в пластине (ПЛИ);

мощной быстродвижущийся точечный источник, действующий на поверхности полубесконечного тела (МБТИ);

мощный быстродвижущийся линейный источник теплоты в пластине (МБЛИ).

Выбираем МБЛИ - мощный быстродвижущийся линейный источник постоянной мощности, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью в пластине. Схему МБЛИ применяют для исследования температурных полей при автоматической дуговой сварке пластин встык за один проход.

4.2 Расчет температуры полей

Расчет распределения температур в свариваемом металле

Температурное поле в процессе сварки может быть неустановившимся, т.е. когда температура отдельных точек тела непрерывно повышается (стадия теплонасыщения характерна для начала процесса сварки) и установившимся, когда температура точек в подвижной системе координат перестает изменяться во времени (предельное состояние). Последнее достигается после продолжительного действия источника теплоты. Температура предельного состояния процесса распространения теплоты для ПТИ, отнесенная к подвижным координатам X,Y,Z, связанным с источником, выражается соотношением:

(9)

где q - эффективная тепловая мощность источника, Вт;

зи - эффективный КПД процесса нагрева свариваемого металла;

Iсв - сила сварочного тока, А;

Uq - падение напряжения на дуге, В;

л - коэффициент теплопроводности, (Вт/см•град) или( Дж/см•с•град)

R - пространственный радиус- вектор, расстояние до рассматриваемой точки от начала подвижной системы координат, R2 = х2+у2 + z2, см;

v - скорость сварки, см/с;

а = л /ср коэффициент температуропроводности см2/с;

ср- объемная теплоемкость металла, Дж/см3•град

Тн - начальная температура свариваемой конструкции, К;

При расчете распределения температур на поверхности изделия вдоль оси шва X-X, т.е. зависимости Т = f(x), координаты Y и Z приравнивают к нулю. При этом учитывают, что для точек, расположенных впереди дуги (положительная полуось координата X - положительна, а для точек, лежащих на оси позади движущейся дуги - отрицательна). Отрицательное значение координаты Х приводит к упрощению формулы (9). Она принимает вид:

(10)

По максимальным температурам расчет обычно доводят до температуры плавления. Внутри ванны нельзя рассчитывать температурные поля по формуле (9). При приближении к месту действия источника (по схеме он сосредоточен в точке) температура тела быстро растет и в точке R = 0 и ТПР >?.

Результаты расчета представим в табличном виде и на рисунке, выполненном на миллиметровой бумаге с сообщением масштабов и указанием точек, по которым строится график. Для качественного построения графика необходимо, чтобы между ТПЛ и 200°С на ветви охлаждения было не менее 10 значений температуры.

qu = Iсв·Uq·зu Вт, (11)

где Iсв - сварочный ток, А;

Uq - напряжение дуги, В;

зu - эффективный коэффициент полезного действия нагрева изделия дугой

qu = 720•36•0,85= 22032 Вт,

Таблица 5 - Распределение температур на поверхности вдоль оси шва X-X

Х, см	R, см	Т,°С
-0,5	0,5	584
-1	1	584
-1,5	1,5	584
-2	2	584
-3	3	584
-5	5	584
-10	10	584
-15	15	584
-20	20	584
0,5	0,5	584
1	1	584
1,5	1,5	584
2	2	584
3	3	584
5	5	584
10	10	584
15	15	584
20	20	584

Рис.1. Распределение температур на поверхности вдоль оси шва X-X

Расчет распределения температур на поверхности изделия по прямым, перпендикулярным оси шва

Впереди источника распространением тепла можно пренебречь, т.к. вследствие высокой скорости перемещения тепло не распространяется. Изотермы вытянуты и в большей своей части параллельны друг другу. Для схемы МБЛИ характерен теплоотвод перпендикулярно оси шва. На практике даже при очень больших скоростях тепло распространяется перпендикулярно только вблизи шва, поэтому расчеты температур по уравнению (12) более точны для точек, лежащих рядом со швом.

Предельное состояние процесса распространения теплоты при нагреве пластины МБЛИ описывается уравнением:

(12)

где б - коэффициент теплоотдачи, Дж/см3•с•град

д - толщина свариваемой пластины, см;

t - время с момента пересечения источником тепла плоскости YOZ с рассматриваемой точкой, с.

b= 2?б /cp?д - коэффициент температуроотдачи пластины, с?1 ,

Определим коэффициент, учитывающий интенсивность понижения температуры при теплоотдаче в окружающую среду с двух сторон пластины

в =2б/ сс? б 1/с, (13)

где б - коэффициент полной поверхностной теплоотдачи, Вт/(см2·с·°С), (низколегированные стали б =33,4 Вт/(м2·с·°С)

б - толщина пластины, м;

сс-объемная теплоемкость, Дж/(м3·°С), (сс = 5,0·106 Дж/(м3·°С);

в =2•33,4/5000000•0,1 = 0,0000134 1/с,

Vсв = 30 м/ч=0,0083 м/с=0,83 см/с

Расчет распределения температур на поверхности изделия по прямым, параллельным оси Y, ведется для различных значений Х по уравнениям (12) для МБЛИ. Основные закономерности в расчете распределения тепла соответствуют описанному выше расчету распределения тепла вдоль оси X. Результаты расчета также следует представить в табличном виде и на рисунке, выполненном на миллиметровой бумаге с соблюдением масштабов и указанием точек, по которым строится график. Для качественного построения нужно брать не менее 10 значений х, начиная с нуля (х -- 0; 0,5; -0,5; 1; -1 и т.д.).

Определим распределение температуры поперек шва в зависимости от расстояния уо для разных моментов времени.

Рассчитаем t(уо, ф) по формуле (12), задавшись первоначальными значениями уо=0,003м и ф =1с.

Таблица 6 - Распределение температуры в зависимости от уо и ф

Время, с	Температура, °С
	Расстояние, м
	0,003	0,005	0,007	0,01	0,012	0,015	0,02	0,03	0,045
1	3997	2424	1144	232	59	4,66	0,020	0	0
2	3254	2533	1741	784	394	111	7	0,003	0
3	2784	2356	1835	1078	682	293	47	0,258	0,000002
4	2468	2178	1806	1212	859	456	116	2,3	0,0004
6	2063	1898	1675	1284	1021	669	269	20	0,056
9	1711	1619	1489	1247	1071	808	440	77	1,55
16	1301	1261	1203	1089	999	853	606	228	25
25	1048	1027	997	935	885	800	642	344	84
36	876	864	846	810	779	726	624	404	152

Рис.2 - Распределение температур на поверхности изделия по прямым, перпендикулярным оси шва



4.3 Расчет и построение термического цикла заданной точки и параметров максимальных температур и скорости охлаждения

Для построения термического цикла точки изделия необходимо знать ее температуру в любой момент времени, начиная с t = 0. Поскольку в уравнении (9) температурного поля параметра времени в явно выраженной форме нет, его рассчитывают по уравнению:

(12)

где Х0- абсцисса заданной точки в неподвижной (связанной с телом) системе координат, начало которой совмещено с положением источника в момент t=0; Х - абсцисса заданной точки в подвижной системе координат. Выразив из (8) абсциссу Х через время t и подставив ее значение в (7), получают уравнение для расчета термического цикла.

Задавая значения абсциссы Х0, координат у и z, а также последовательно, с определенным шагом, задавая значения времени по уравнению (11), получают значения температуры для МБЛИ построения термического цикла.

Результаты расчетов сводим в таблицу. По результатам расчета построим кривую изменения температуры заданной точки в зависимости от времени, прошедшего после пересечения центром дуги поперечного сечения, в котором находится данная точка.

Таблица 7 -Температуры в точках в зависимости от у0 и ф

Время, с	Температура, °С
	Расстояние, м
	0,000	0,005	0,010	0,015	0,020
1	5296	2424	232	4,660	0,020
2	3745	2533	784	111	7,201
3	3058	2356	1078	293	47
4	2648	2178	1212	456	116
6	2162	1898	1284	669	269
9	1766	1619	1247	808	440
16	1324	1261	1089	853	606
25	1060	1027	935	800	642
36	883	864	810	726	624

Рис.3 - Термический цикл

4.4 Анализ процессов в зоне термического влияния (ЗТВ)

Для расчета максимальных температур, достигаемых отдельными точками, расчет ЗТВ производят по следующим формулам:

мощный быстродвижущийся линейный источник теплоты:

(13)

где ТН- начальная температура тела, К;

у - расстояние от данной точки до оси шва.

Результаты расчета представим в табличном виде и на рисунке с соблюдением масштаба и указанием точек, по которым строится график.

Таблица 8 - Максимальные температуры в зависимости от у0

у0, м	0,003	0,005	0,007	0,01	0,012	0,015	0,02	0,03	0,045
Тмах	4141	2485	1775	1242	1035	828	621	414	276

Рис.4 - График распределения максимальных температур в поперечном сечении шва

Определение протяженности отдельных участков ЗТВ

Проведя по формуле расчет распределения максимальных температур вдоль оси Y и совместив, на одном рисунке полученные данные и диаграмму состояния «железо - углерод» по оси температур, определяют протяженность наиболее характерных участков ЗТВ. Размеры зон определяют два раза: по количеству углерода в стали, а также по эквивалентному содержанию углерода:

(14)

где С, Mn, V - процентное содержание элемента в стали.

Содержание меди учитывают при Си > 0,5 %, а фосфора при Р > 0,05 %.

Протяжённость отдельных участков ЗТВ для стали 15Г2АФДпс определим из строения ЗТВ для данного сварного соединения. Температурные интервалы участков:

1. участок неполного расплавления: ,

2. участок перегрева: ,

3. участок нормализации: ,

4. участок неполной перекристаллизации: ,

5. участок рекристаллизации:

6. участок синеломкости:

Откуда можно видеть, что ширины соответствующих зон составляют:

Ширина зоны	в см
Неполного расплавления	0,1
Перегрева	0,4
Нормализации	0,2
Неполной перекристаллизации	0,6
Рекристаллизации	0,9
Синеломкости	2,1

Определение мгновенной скорости охлаждения при заданной температуре и сравнение ее с допустимой скоростью для данной марки стали

Мгновенную скорость охлаждения при данной температуре Т определяют используя теорию мощных быстродвижущихся источников теплоты без учета теплоотдачи. Скорости охлаждения определяют только для оси шва ввиду их незначительного отличия от скоростей охлаждения околошовных зон. Скорость охлаждения определяют по формуле при наплавке валика на массивное тело:

при однопроходной сварке пластин встык:

(15)

где Тн - начальная температура изделия или температура сопутствующего подогрева.

Минимальная скорость охлаждения, при которой мартенсит будет полностью исключен, определяется по формуле:

(16)

где Т1 - температура, соответствующая точке начала распада аустенита

ТМ - температура, соответствующая мартенситной точке Мн, обозначает начало мартенситных превращений;

tmin - время минимальной устойчивости аустенита.

Т1, Тм, tmin находим по диаграмме изотермического распада аустенита для стали 15Г2АФДпс. Скорость охлаждения определяем по формуле (16) и сравниваем ее с допустимой скоростью охлаждения. Если щохл будет больше щдоп, то возможно появление закалочных структур, что ведет к трещинообразованию.

град/с

град/с



5. Обоснование выбора сварочных материалов для сварки под флюсом стали 15Г2АФДпс

Для сварки низкоуглеродистых сталей используют оксидные флюсы. При этом возможны две комбинации систем «флюс-сварочная проволока»: Высококремнистый высокомарганцевый флюс в сочетании с низкоуглеродистой нелегированной проволокой (Св08, Св08А и др.); Высококремнистый низкомарганцевый или безмарганцевый флюс в сочетании с низкоуглеродистой проволокой, легированной марганцем, например, Св08ГА. Легирование сварного шва марганцем в первой системе выполняется за счет флюса, во второй - за счет проволоки. Легирование кремнием в обеих системах осуществляется за счет флюса. Первая комбинация применяется в основном в России, вторая - за рубежом.

Сталь 15Г2АФДпс конструкционная низколегированная соответствует стали для строительных конструкций С390К.

Для сварки сталей класса С390К, работа которых возможна при температуре до минус 40 °С, при разработке технологии могут быть назначены следующие материалы: для однодуговой автоматической сварки под флюсом применяют флюс АН-43, АН-348А, АН-60; проволоку -- Св-08ГА или Св-08

В нашем случае выбираем проволоку -- Св-08ГА и флюс АН-348А



6. Характеристика сварочных материалов

Проволока стальная сварочная (ГОСТ 2246-70) из сталей с низким содержанием углерода. По виду поверхности проволока производится неомедненой и омедненой. Медное покрытие - 6 мкм. Поверхность проволоки должна быть чистой и гладкой, без трещин, расслоений, плен, закатов, забоин, окалины, ржавчины, масла и др. загрязнений. Допускаются отдельные риски, царапины, местная рябизна, вмятины глубиной не более предельного отклонения по диаметру.

Проволока стальная сварочная Св-08ГА предназначена для автоматической сварки под флюсом углеродистых сталей с пределом текучести 235-440 МПа (конструкций мостов, опор, труб, трубопроводов и котлов, работающих при высоких давлениях и температурах).

Химический состав проволоки Св-08ГА

Таблица 9 - Химический состав проволоки Св-08ГА ГОСТ 2246-70, в %

С	Mn	Si	Cr	Ni	S	P
<=0,1	0,80-1,10	<=0,06	0,1	0,25	0,25	0,03

Проволока выпускается диаметром 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 мм.

Назначение легирующих компонентов в Св-06Х19Н10М3Т

Кремний (Si) при содержании в стали более 0,4 - 0,6% повышает упругие свойства стали. Этот элемент увеличивает также элекросопротивление стали. Кремний повышает и сопротивление сталей разъеданию кислотами, т. е. делает их кислотоупорными.

Марганец (Mn) при содержании его в стали свыше 1% повышает твердость, износоустойчивость, стойкость при ударных нагрузках без снижения пластичности, увеличивает прокаливаемость, но делает сталь более чувствительной к перегреву при термической обработке.

Никель (Ni) повышает прочность, вязкость, коррозионную стойкость, увеличивает прокаливаемость, повышает сопротивление удару, уменьшает коэффициент теплового расширения, а также увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем.

Хром (Сr)повышает твердость, прочность и пластичность, сохраняет вязкость, увеличивает сопротивляемость стали коррозии, повышает прокаливаемость, позволяет производить закалку в масле, что значительно снижает возможность деформации детали. Хром вводят в сталь 1,5 - 2,5%, для специальных целей - до 30%.

Флюс сварочный АН-348 А предназначен для механизированной сварки и наплавки конструкций из низкоуглеродистых нелегированных и низколегированных сталей, нелегированной и низколегированной проволокой марок СВ-08, СВ-08ГА, S1, S2 при температурах эксплуатации конструкций до - 40 0С. Флюс с содержанием Fe2O3 на верхнем пределе 2-2,5% рекомендуется только для сварки кремний- и марганцесодержащими проволоками.

При сварке под флюсом АН-348А сварочная проволока и флюс АН-348А одновременно подаются в зону горения дуги, под воздействием теплоты которой плавятся кромки основного металла, электродная проволока и часть флюса АН-348А. Вокруг дуги образуется газовый пузырь, заполненный парами металла и материалов флюса. По мере перемещения дуги расплавленный флюс всплывает на поверхность сварочной ванны, образуя шлак. Расплавленный флюс АН 348А защищает зону горения дуги от воздействия атмосферных газов и значительно улучшает качество металла шва. Современные электродные заводы обеспечивают широкий выбор сварочных электродов и проволок различных типов.

Флюс АН 348А применяют как сыпучее вещество при автоматической и полуавтоматической дуговой и электрошлаковой сварке, под слоем флюса горит сварочная дуга или происходит процесс электрошлаковой сварки.

Плавильные флюсы АН 348А, применяемые в процессах электрической сварки, гарантируют надежную защиту зоны сварки от атмосферных и прочих газов, создают условия стабильного горения дуги, обеспечивают надежное формирование качественного сварного шва. При сварке электродом под флюсом АН-348 швы формируются плотными, не поддающимися кристаллизационным трещинам. После остывания сварного шва шлаковая корка легко удаляется. Сварочные флюсы АН-348 обеспечивают наименьшее выделение опасной пыли и вредных газов, негативно влияющих на здоровье сварщика.

Сварочно-технологические свойства флюс АН-348А

Предельно допустимый уровень доз радиационного излучения 18 мкр/час, что соответствует нормам ОСП 72/87. Флюс АН-348А соответствует требованиям ТУ У 05416923.049-99. При влажности, превышающей допустимую, флюс перед употреблением подвергают сушке при температуре 300-400оС в течении 1 часа. Цвет зерен - коричневый с темным оттенком, размер зерен 0,35-0,5 мм; строение зерен - стекловидное; объемная масса 1,3-1,8 кг/дм3.

Металлургические свойства флюс АН-348А

Высококремнистый высокомарганцовистый оксидный флюс АН-348А с химической активностью Аф = 0,7-0,75. При сварке-наплавке под флюсом интенсивно протекают кремне- и марганцевосстановительные процессы. Содержание кислорода в металле шва в виде оксидных мелкодисперсных включений составляет 0,06%(для однопроходных) и до 0,1% (для многослойных). Особо интенсивно взаимодействие между флюсом и металлом при сварке проволокой малых диаметров (до 3 мм). Концентрация серы и фосфора в металле швов в среднем составляет 0,04% каждого. Не рекомендуется для сварки конструкций, работах в условиях Севера или при температуре ниже -30 0C.

Данные для применения флюс АН 348А: Постоянный или переменный ток до 1100А, Vсв до 120 м/ч; Uхх источника питания не ограничено; сушка при Т= 400 0С, 2 ч.

Рекомендуемые проволоки для сварки под флюсом АН 348А: Св-08, Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2.

Технология изготовления флюса ан 348а

Сварочный флюс АН 348 изготавливается плавлением в пламенных или дуговых печах, грануляцией мокрым способом.

Химический состав флюса АН-348А (%):

Таблица 10-Химический состав флюса АН-348А, в %

SiO2	MnO	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	S	P	CaF2
40,0-44,0	31,0-38,0	<12,0	<7,0	<13,0	0,5-2,2	<0,11	<0,12	3,0-6,0

Таблица 11- Физико-механические свойства сварочного флюса АН 348А:

Насыпная плотность, кг/дм3	1,3-1,8
Содержание инородных частиц (не растворившихся частиц сырьевых материалов, футеровки, угля, графита, кокса, металлических частиц и др), %	<0,3
Содержание зерен с цветом, отличающихся от указаного, %	<10
Размер зерен, мм:
< 0,25	<3
> 2,8	<3
1:2,8	>65



Заключение

Сталь 15Г2АФДпс хорошо сваривается, но желательно получение состава металла шва, близкого к основному металлу. Данная сталь не образовывает горячие и холодные трещины, поэтому есть нет необходимости в подогреве и последующей термообработке. Сварку можно производить как на постоянном, так и на переменном токах. Данному типу источника соответствует автоматическая дуговая сварка под флюсом встык за один проход.



Список использованных источников

1. Федосов С.А. Основы технологии сварки /С.А.Федосов, И.Э.Оськин [Электронный ресурс]: СПб.:Лань, 2011. - 125 с. Режим доступа http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1 cid=25&pl1 id=2021(дата обращения 20.03.2012)

2. Козловский С.Н. Введение в сварочные технологии /С.Н.Козловский [Электронный ресурс]: СПб.:Лань, 2011. - 416 с. Режим доступа http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1 cid=25&pl1 id=2021 (дата обращения 20.03.2012)

3. Гривняк И. Свариваемость сталей. - М.: Машиностроение, 1984. - 216с.

4. Кох Б.А. Основы термодинамики металлургических процессов. - Л.: Судостроение, 1975. 240с.

5. Ленивкин В. А. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...